Interfejsy dysków twardych i napędów optycznych

Transkrypt

1 Pamięci masowe W niniejszym podrozdziale skupimy się na technikach zapisu i odczytu danych, a także na metodach przechowywania informacji cyfrowej. Omówione zostaną interfejsy umożliwiające przyłączenie pamięci masowych, a następnie skupimy się na budowie twardych dysków, napędów optycznych, stacji dyskietek oraz pamięci flash. Mianem pamięci masowej (ang. mass memory, mass storage) określa się różne techniki i urządzenia pozwalające na trwałe przechowywanie dużych ilości danych cyfrowych (w przeciwieństwie do ulotnej i mało pojemnej pamięci RAM). Urządzenia służące do odczytu i zapisu są nazywane napędami; dane są przechowywane na nośnikach.

2 Posiadanie wydajnego dysku twardego nie oznacza, że mamy rozwiązany problem przechowywania dużej ilości danych. Urządzenie musi zostać podłączone do wydajnego interfejsu, który pozwoli na szybką wymianę informacji między napędem a pozostałymi komponentami. Interfejs ATA (ang.advanced Technology Attachment), zwany także interfejsem IDE (ang. Integrated Drive Electronics), został opracowany w 1986 roku przez firmy Western Digital i Compaq dla 16-bitowego komputera IBM AT. Pierwotnie interfejs ATA umożliwiał 16-bitową transmisję danych między napędem a gniazdem ATA na płycie głównej. Od momentu wprowadzenia standardu PCI IDE Bus Master i skonsolidowania interfejsu ATA z magistralą PCI umożliwia 32-bitową transmisję danych. Standard jest kontrolowany przez grupę producentów komputerów PC funkcjonującą pod nazwą Technical Committee Tl3, która odpowiada za rozwój równoległego i szeregowego interfejsu ATA.

3 Taśmy ATA 80 i 40 żyłowe

4 Interfejsy dysków twardych i napędów optycznych Charakterystyka poszczególnych wersji równoległego interfejsu ATA

5 Rozwój równoległego interfejsu ATA przyniósł wiele nowych technologii i rozwiązań, które warto przybliżyć: PIO (ang. Programmed Input/Output programowalne wejście-wyjście) pierwsza metoda transferu danych w interfejsie ATA umożliwiająca wymianę danych między płytą a napędem. Jest kontrolowana programowo przez procesor, co powoduje jego znaczne obciążenie. Pozwala na pracę w kilku trybach (0-4) różniących się maksymalną szybkością transferu. DMA (ang. Direct Memory Access bezpośredni dostęp do pamięci) specjalny tryb umożliwiający napędom podłączonym do interfejsu komunikację bezpośred nio z pamięcią operacyjną RAM bez udziału procesora. Powstał jako odpowiedź na niedoskonałości PIO. Pozwala na pracę w kilku trybach różniących się maksymalną szybkością transferu. Ultra DMA (UDMA) w pewnym momencie okazało się, że PIO i DMA nie są wystarczająco wydajne. Opracowano nową technologię wykorzystującą magistralę PCI, zwaną Bus Mastering DMA, która ostatecznie przyjęła nazwę Ultra DMA. UDMA łączy napęd bezpośrednio z pamięcią RAM i pozwala na transfer (w zależności od trybu) od 16,7 MB/s do 133 MB/s nie obciążając zbytnio procesora. Identify Drive (identyfikacja napędu) specjalne polecenie umożliwiające

6 Identify Drive (identyfikacja napędu) specjalne polecenie umożliwiające oprogramowaniu płyty głównej (BIOS) identyfikację i sprawdzenie parametrów napędów. S.M.A.R.T. (ang. Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) technologia umożliwiająca wykrywanie i przewidywanie awarii napędu. ATAPI (ang. AT Attachment Packet Interface) rozszerzony interfejs umożliwiający obsługę urządzeń typu: CD-ROM, CD-RW, napędy dyskietek LS-120, napędy ZIP, napędy taśm itp. Security Feature specjalny tryb bezpieczeństwa umożliwiający chronienie dostępu do napędu za pomocą hasła.

7 Specyfikacja równoległego interfejsu ATA wymusza stosowanie określonych złączy okablowania. Złącze PATA (ang. ParallelATA ATA równoległy) to 40-pinowe gniazdo z wyciętym otworkiem. Usunięto w nim 20. pin, aby uniemożliwić błędne zamontowanie taśmy. Gniazda (rysunek) są montowane na płycie głównej oraz w tylnej ścianie napędu, a połączenia dokonujemy za pomocą taśmy 40- lub 80-żyłowej (najczęściej z zaślepionym 20. pinem).

8

9 Jeszcze do niedawna (do czasu rozpowszechnienia SATA) na płycie głównej montowano po dwa kanały IDE umożliwiające przyłączenie do czterech różnych napędów. Pojedyncze złącze pozwala podłączyć dwa urządzenia i wymaga skonfigurowania napędu za pomocą zworek (rysunek).

10 W zależności od potrzeb zworkę można skonfigurować w następujący sposób: Master (nadrzędny) ustawienie dla napędu, który ma być pierwszy w danym kanale IDE. Slave (podporządkowany) tak skonfigurowany napęd będzie traktowany jako drugi w kanale IDE. Cable select (wybór kabla) specjalny tryb pozwalający na konfigurację dysku poprzez odpowiednie podłączenie napędów do taśmy 40-żyłowej typu T" lub 80- żyłowej.

11 Aby uzyskać fizyczne połączenie między napędem a kanałem IDE zamontowanym na płycie głównej, potrzebny jest specjalny kabel albo specjalna taśma. Początkowo standard przewidywał 40-żyłową taśmę o długości nieprzekraczającej 47 cm, wyposażoną w trzy złącza ATA. Do dwóch złączy taśmy montuje się napędy, trzecie natomiast służy do podłączenia kanału IDE na płycie głównej. Wymagania ATA-4 Ultra DMA oraz nowszych wariantów wymusiły na projektantach opracowanie połączenia charakteryzującego się lepszymi właściwościami prądowymi oraz większą odpornością na interferencje Zworka to element stanowiący połączenie pomiędzy stykami (pinami) elektrycznymi, często stosowany do konfiguracji ustawień niektórych komponentów, np. płyty głównej, twardych dysków czy kart I/O.

12 Nowa 80-żyłowa taśma jest wykonana z okablowania miedzianego bardzo dobrej jakości. Dodatkowych 40 żył służy jako ekranowanie dla przewodów transmisyjnych (rysunek ). Złącza pokolorowano w celu łatwiejszej identyfikacji: niebieskie służy do przyłączenia kanału IDE na płycie głównej; czarne służy do podłączenia napędu; jeśli napęd zostanie skonfigurowany z opcją cable select, urządzenie będzie widoczne jako master; szare służy do podłączenia napędu; jeśli napęd zostanie skonfigurowany z opcją cable select, urządzenie będzie widoczne jako slave

13 Stosowanie taśmy 80-żyłowej jest wskazane w przypadku każdej odmiany interfejsu ATA (lepsza jakość i większa odporność na zakłócenia), a od wersji ATA-5 jest nakazane. Podczas włączenia komputera procedura testowa POST (ang. Power on SelfTest) oprogramowania BIOS płyty głównej wykryje złe okablowanie i wyświetli stosowny komunikat.

14 Interfejs SCSI Równolegle do standardu ATA rozwijał się inny interfejs SCSI (ang. Small Computer System Interface interfejs dla małych systemów komputerowych). Technologicznie SCSI jest bardziej zaawansowany od swojego konkurenta, co oznacza, że częściej jest wybierany jako interfejs komputerów realizujących zadania serwerowe. Przyjęła się zasada stosowania interfejsu ATA tam, gdzie liczą się prostota i niskie koszty. Z kolei SCSI znajduje zastosowanie w systemach wymagających dużej wydajności. Jedną z ważniejszych cech standardu SCSI odróżniających go od ATA jest obsługa bardziej różnorodnych urządzeń (skanery, dyski twarde, napędy optyczne, napędy taśm). Dodatkowo istnieje możliwość jednoczesnego podłączenia kilkunastu urządzeń (w ATA przy dwóch kanałach można podłączyć tylko cztery). Od 1986 roku, kiedy oficjalnie opublikowano standard, powstało wiele odmian i wariantów interfejsu SCSI (tabela). Kontroler SCSI-2 ze złączami 50-pin na karcie rozszerzeń z interfejsem ISA

15 Nazwa Interfejsy dysków twardych i napędów optycznych Szerokość (bit) Częstotliwość (MHz) Maksymalny transfer (MB/s) Liczba obsługiwanych urządzeń SCSI SCSI-2 (Wide SCSI) SCSI-2 (Fast SCSI) SCSI-2 (Fast Wide SCSI) SCSI-3 (Ultra SCSI) /4* SCSI-3 (Wide Ultra SCSI) /4* SCSI-3 (Ultra2 SCSI) /2* SCSI-3 (Wide Ultra2 SCSI) /2* SCSI-3 (Ultra3 SCSI) (Ultra 160/m SCSI) /2* (+Ultra 160 SCSI) SCSI-4 (Ultra 320 SCSI) /2* SCSI-4 (Ultra 640 SCSI) /2* * W zależności od rodzaju i długości zastosowanego okablowania.

16 Kontrolery ATA i SATA najczęściej są zintegrowane z chipsetem płyty głównej. W przypadku SCSI kontroler przyjmuje formę karty rozszerzeń nazywanej adapterem hosta (ang. host adapter) i montowanej w jednym z gniazd magistral I/O. Interfejs SCSI udostępnia kilka metod przesyłania sygnałów elektrycznych: SE (ang. Single Ended), sygnalizacja niezrównoważona każdy sygnał jest przesyłany przez parę skręconych przewodów. Jeden przewód jest uziemiony, drugi przenosi zmiany napięcia. Sygnalizacja SE jest mało odporna na zewnętrzne zakłócenia, które nasilają się podczas stosowania długiego okablowania. HVD (ang. High Voltage Differential), sygnalizacja różnicowa wysokonapięciowa jeden przewód przenosi zmiany napięcia, drugim płynie sygnał o odwrotnym potencjale. Komunikacja opiera się na wykrywaniu różnicy potencjałów między przewodami. Minusem HVD jest wykorzystanie dużych napięć, co znacznie zmniejsza możliwości projektowania małych i oszczędnych układów. Dodatkowo pomyłkowe podłączenie urządzenia SE do HVD kończy się uszkodzeniem tego pierwszego. LVD (ang. Low Voltage Differential) odpowiedzią na niedoskonałości HVD było opracowanie standardu wykorzystującego niskie napięcia. Nowe rozwiązanie umożliwiło projektowanie tanich i oszczędnych układów oraz używanie dłuższego okablowania. Dodatkowo pomyłkowe podłączenie urządzenia SE do LVD nie kończyło się uszkodzeniem pierwszego z nich.

17 Okablowanie wykorzystane w standardach SCSI dzieli się na zewnętrzne i wewnętrzne. Dla okablowania zewnętrznego, za pomocą którego podłączamy urządzenia znajdujące się poza obudową komputera, opracowano następujące wersje złączy (rysunek): D-Shell (D-Sub, DD) 50-pinowe złącze typu D wykorzystywane przez najwcześniejsze standardy SCSI; Centronix 50-pinowe złącze wykorzystywane przez 8-bitowy standard SCSI-1; Centronix Alternative 2 nowsza odmiana standardu Centronix; High-Density (HD) Alternative 3 68-pinowa odmiana złącza wysokiej gęstości, które zastąpiło złącza Centronix (rysunek 2.40); Very High Density Cable Interconnect (VHD- CI) Alternative 4 68-pinowe złącze zwane Micro-Centronix, ponieważ przypomina złącze Złącza Alternative 3 Centronix w pomniejszeniu.

18 Dla okablowania wewnętrznego, za pomocą którego montuje się sprzęt wewnątrz obudowy komputera, opracowano następujące wersje złączy: Regular Density prostokątny łącznik z dwoma rzędami po 25 pinów; High Density opracowane dla SCSI-2 wąskie 50-pinowe złącze wysokiej gęstości, nieekranowane; Single Connector Attachment (SCA) nieekranowane złącze używane do bezpiecznego wewnętrznego montażu/demontażu na gorąco (ang. hot swap), bez potrzeby wyłączania komputera.

19

20 Aby urządzenie SCSI po podłączeniu do interfejsu mogło prawidłowo funkcjonować, musi zostać ustawiony jego identyfikator SCSI ID. Do magistrali 8-bitowej można podłączyć osiem urządzeń numerowanych od 0 do 7, a do 16-bitowej 16 urządzeń numerowanych od 0 do 15. Urządzenie konfiguruje się za pomocą zworek lub przełącznika, a im mniejszy numer ID, tym większy priorytet podłączonego sprzętu. UWAGA Zworki konfiguracyjne SCSI ID dysków twardych mogą być umieszczone zarówno z przodu, jak i z tyłu napędu, w zależności od producenta urządzenia.

21 Interfejs SCSI jest magistralą wymagającą specjalnych terminatorów (rysunek) na obydwu jej końcach. W zależności od zastosowanego typu interfejsu SCSI terminator może przyjąć formę pasywnego rezystora terminującego lub aktywnego urządzenia z regulatorem napięcia. UWAGA Jeżeli chcemy sprawdzić, jakie urządzenia SCSI zostały zamontowane w komputerze, powinniśmy uruchomić menedżer urządzeń i odnaleźć symbol rombu. Wygląd piktogramu zmienia się w zależności od typu zastosowanego kontrolera i sprzętu SCSI (rysunek 2.43). Terminator magistrali SCSI

22 Interfejs SATA Wersja ATA-7 zakończyła rozwój ATA równoległego. Nowszy szeregowy interfejs SATA (ang. Serial ATA ATA szeregowe) jest kompatybilny z ATA tylko na poziomie programowym, co oznacza, że oprogramowanie zazwyczaj nie będzie miało problemów z obsługą urządzeń podłączonych do SATA (tabela). Na poziomie sprzętowym nie ma zgodności i nie można łączyć napędów różnych standardów (tabela).

23 Tabela. Zestawienie standardów SATA Typ SATA Przepustowość (MB/s) SATA 1 (SATA-150) Serial ATA Revision 1,x 150 SATA 2 (SATA-300) Serial ATA Revision SATA 2 (SATA 3 Gb/s) Serial ATA Revision SATA 3 (SATA 6 Gb/s) Serial ATA Revision

24 W standardzie SATA wykorzystano metodę transmisji różnicowej. Okablowanie składa się z siedmiu cienkich miedzianych żył zakończonych złączami o szerokości 14 mm (rysunek). Napędy są zasilane za pomocą 15-żyłowego przewodu zakończonego złączem o szerokości 24 mm. Kabel danych może mieć długość do 1 m i z racji swojej budowy jest tańszy w produkcji niż okablowanie ATA. Jedna z wersji interfejsu SATA, esata (ang. extemal SATA zewnętrzne SATA), umożliwia stosowanie okablowania 2-metrowego do podłączania urządzeń znajdujących się poza obudową komputera. Na płycie głównej znajdują się gniazda SATA o takiej samej budowie jak złącza montowane w napędach (rysunek). Interfejs SATA korzysta z połączenia point-to-point (punkt-punkt). Pojedynczy kanał obsługuje tylko jeden napęd, który nie wymaga konfiguracji za pomocą zworek. Większość urządzeń SATA2 podłączonych do interfejsu SATA1 potrzebuje przekonfigurowania, aby możliwe było dostosowanie ich prędkości do starszego standardu.

25 7-pinowa wtyczka służąca do przesyłania danych.

26 Wraz z pojawieniem się na płytach głównych czterech, sześciu czy ośmiu kanałów SATA (rysunek) zrezygnowano z dodatkowego kanału równoległego ATA (został jeden kanał IDE lub nie pozostał żaden). Większość twardych dysków podłącza się za pomocą nowego interfejsu SATA. Z kanału IDE korzystają starsze napędy CD/DVD.

27 Wdrożenie specyfikacji Serial ATA Revision 2.x zaowocowało wprowadzeniem do standardu nowych elementów, którymi są: transfer do 3 Gb/s (375 MB/s); kolejkowanie poleceń NCQ (ang. Native Command Queuing) specjalny algorytm obliczający kolejność pobierania pofragmentowanych danych z dysku w celu zwiększenia wydajności odczytu; interfejs AHCI (ang. Advanced Host Controller Interface) interfejs (zintegrowany z chipsetem płyty głównej) o dużej wydajności umożliwiający korzystanie ze sterowników i oprogramowania systemu operacyjnego w celu wykorzystania zaawansowanych funkcji SATA; zaimplementowany tryb hot plugging (Hot Swap) podłączanie/wyłączanie napędów bez podłączania/wyłączania urządzeń; powielacze portów (ang. port multipliers) urządzenia umożliwiające przyłączenie do głównego adaptera hosta do 16 urządzeń; stopniowanie rozruchu dysków (ang. staggered spin-up) stopniowy rozruch dysków w celu uniknięcia zbyt dużego obciążenia prądowego interfejsu SATA.

28 Najnowszą odsłoną interfejsu SATA jest Serial ATA Revision 3.x (SATA 6 Gb/s), który umożliwia transfer do 750 MB/s. Trzecia generacja SATA wprowadziła kilka nowości: interfejs SATA USM (ang. Universal Storage Module) pozwala na szybkie podłączanie zewnętrznych pamięci masowych bez użycia okablowania, umożliwiając transfer do 6 Gb/s; złącze msata (ang. micro SATA) bazujący na minipci Express konektor umożliwiający podłączanie niewielkich napędów SSD oraz pamięci flash; Zero-Power Optical Disk Drive tryb umożliwiający oszczędzanie energii podczas współpracy interfejsu SATA z urządzeniami pracującymi w trybie IDLE; Reąuired Link Power Management system inteligentnego zarządzania energią dla wszystkich podłączonych napędów SATA zmniejszający pobór energii; Queued Trim Command opcja przeznaczona dla dysków SSD mająca na celu zwiększenie ich żywotności; Hardware Control Features technologia umożliwiająca identyfikację urządzeń SATA w celu podniesienia ich wydajności w zależności od ich indywidualnych cech.

29 15-pinowa wtyczka zasilania SATA. Porównanie wtyczek SATA i esata

30 Wtyczka tego typu nie obsługuje funkcji hot-plug (styki 4 i 12)

31 Interfejs SAS W 2003 roku organizacja Technical Committee T10 rozwijająca standardy SCSI opublikowała specyfikację szeregowego SCSI SAS (ang. Serial Attached SCSI). Celem twórców standardu SAS był tani interfejs zbliżony możliwościami do optycznego szeregowego interfejsu Fibrę Channel. SAS, podobnie jak SATA, korzysta z połączenia point-to-point. Zastosowano to samo okablowanie i ten sam standard złączy. Okablowanie wewnętrzne może mieć długość 1 m, zewnętrzne nawet do 10 m. SAS jest kompatybilny z SCSI programowo, nie sprzętowo. Pierwsza wersja SAS umożliwia transfer do 300 MB/s, druga SAS-2 do 600 MB/s. Na koniec 2012 roku planowany jest debiut SAS-3 z transferem 1,2 GB/s. SAS wprowadza nową klasę urządzeń tzw. ekspandery. To rodzaj przełączników (ang. switch) między płytą a urządzeniami końcowymi. Główny ekspander fanout umożliwia podłączenie i zarządzanie 128 ekspanderami brzegowymi (ang. edge expander), z których każdy dopuszcza podłączenie do 128 urządzeń końcowych. Ostatecznie interfejs SAS pozwala na komunikację przeszło różnego rodzaju napędów. Fibre Channel standard magistrali szeregowej definiujący wielowarstwową architekturę, która służy do przesyłania danych przez sieć. Fibre Channel definiuje atrybuty warstwy fizycznej, transportowej a także obsługę protokołów wyższych warstw takich jak TCP/IP, SCSI- 3 i innych. Jest stosowany w sieciach SAN. Niezależnie od nazwy, Fibre Channel pracuje zarówno na połączeniach galwanicznych (prawie zawsze miedzianych) jak i światłowodach.

32 Formalna nazwa Nazwa potoczna wew/zewn Ilość pinów Ilość urządzeń Uwagi SFF 8482 Złącze SATA Wewnętrzne 1 Złącze kompatybilne z SATA. Umożliwia podłączanie napędów SATA do płyt głównych ze złączem SAS, dzięki czemu np. nie trzeba instalować w serwerach dodatkowych kontrolerów SATA do podłączania np. napędów DVD. Należy zaznaczyć, że napędy SAS nie mogą być używane z magistralą SATA. Na fotografii widoczne jest złącze od strony dysku.

33 Formalna nazwa Nazwa potoczna wew/zewn Ilość pinów Ilość urządzeń SFF 8484 Wewnętrzne 32 (19) 4 (2) Uwagi Standard SFF definiuje wersje z 2 i 4 taśmami.

34 Formalna nazwa Nazwa potoczna wew/zewn Ilość pinów Ilość urządzeń SFF 8470 Infiniband Zewnętrzne 32 4 Uwagi Sporadycznie używane także jako złącze wewnętrzne. Najczęściej do podłączania napędów taśmowych

35 Formalna nazwa Nazwa potoczna wew/zewn Ilość pinów Ilość urządzeń SFF 8087 Wewnętrzny mini-sas Wewnętrzny 36 4 Uwagi Obecnie stosowany jako wewnętrzny port kontrolerów RAID, pozwalający na podłączanie dysków twardych bądź tzw. klatek dyskowych

36 Formalna nazwa Nazwa potoczna wew/zewn Ilość pinów Ilość urządzeń SFF 8088 Zewnętrzny mini-sas Zewnętrzny 26 4 Uwagi Stosuje się do połączenia napędów i bibliotek taśmowych, zewnętrznych macierzy dyskowych

37 Macierze RAID Koncepcja macierzy RAID (ang. Redundant Array of Inexpensive Disks nadmiarowa macierz niedrogich dysków) powstała na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w 1987 roku. Projekt przewidywał stworzenie systemu kilku dysków działających jak jedno urządzenie, co miało poprawić jego niezawodność i wydajność

38 Opracowano siedem podstawowych poziomów macierzy RAID ponumerowanych od Odo 6: RAID poziom 0 dane są zapisywane równolegle na kilku dyskach działających jak jedno urządzenie. Zwiększa się wydajność, niezawodność pozostaje bez zmian. RAID poziom 1 dane są zapisywane na zdublowanych dyskach, które przechowują dokładnie tę samą zawartość Rozwiązanie wpływa na niezawodność zapisu (po uszkodzeniu jednego dysku odzyskujemy dane z drugiego), ale nie wpływa wyraźnie na zwiększenie wydajności. RAID poziom 2 dane są dzielone między wiele dysków, a kod korekcji błędów jest zapisywany na dodatkowym urządzeniu. Raczej nie spotkamy na rynku kontrolera RAID 2. RAID poziom 3 podobny do RAID 0, jednak w celu zwiększenia niezawodności stosuje się dodatkowy dysk wykorzystywany do kontroli parzystości. RAID poziom 4 podobny do RAID 3, jednak dane są zapisywane w większych blokach, co poprawia wydajność zapisu dużych plików. RAID poziom 5 podobny do RAID 4, jednak wydajność jest większa z uwagi na zapis kodów parzystości na kilku dyskach. RAID poziom 6 podobny do RAID 5, jednak zwiększono niezawodność poprzez zapisanie kodów parzystości za pomocą dwóch schematów kodowania.

39 Opracowano siedem podstawowych poziomów macierzy RAID ponumerowanych od Odo 6: RAID poziom 0 dane są zapisywane równolegle na kilku dyskach działających jak jedno urządzenie. Zwiększa się wydajność, niezawodność pozostaje bez zmian. RAID poziom 1 dane są zapisywane na zdublowanych dyskach, które przechowują dokładnie tę samą zawartość Rozwiązanie wpływa na niezawodność zapisu (po uszkodzeniu jednego dysku odzyskujemy dane z drugiego), ale nie wpływa wyraźnie na zwiększenie wydajności. RAID poziom 2 dane są dzielone między wiele dysków, a kod korekcji błędów jest zapisywany na dodatkowym urządzeniu. Raczej nie spotkamy na rynku kontrolera RAID 2. RAID poziom 3 podobny do RAID 0, jednak w celu zwiększenia niezawodności stosuje się dodatkowy dysk wykorzystywany do kontroli parzystości. RAID poziom 4 podobny do RAID 3, jednak dane są zapisywane w większych blokach, co poprawia wydajność zapisu dużych plików. RAID poziom 5 podobny do RAID 4, jednak wydajność jest większa z uwagi na zapis kodów parzystości na kilku dyskach. RAID poziom 6 podobny do RAID 5, jednak zwiększono niezawodność poprzez zapisanie kodów parzystości za pomocą dwóch schematów kodowania.

40 Dyski twarde Użytkownicy komputerów osobistych od zawsze potrzebowali szybkiego, niezawodnego, taniego i trwałego sposobu zapisywania dużych ilości danych. Elastyczne dyskietki nie spełniały tych założeń, co doprowadziło do opracowania koncepcji urządzenia wykorzystującego zapis magnetyczny. Pomysł użycia twardych aluminiowych dysków jako podłoża dla nośnika ferromagnetycznego powstał w laboratoriach firmy IBM w 1956 roku. Pierwsze twarde dyski (ang. hard disk drive) miały talerze o średnicy 27 cali (przeciętna felga aluminiowa stosowana w dzisiejszych samochodach ma około 16 cali), zajmowały sporo miejsca, były bardzo drogie i umożliwiały zapis kilku megabajtów danych. Twarde dyski przeszły długą drogę rozwoju i obecnie stanęły na skraju możliwości technologicznych. Wielu uważa, że nowe dyski flash ostatecznie wyprą tradycyjny napęd o zapisie magnetycznym. Tymczasem producenci nadal opracowują nowe sposoby zapisu informacji na obracającym się talerzu. Prawdopodobnie minie jeszcze kilka lat, zanim całkowicie pożegnamy się z tradycyjnym dyskiem twardym jako podstawową pamięcią masową.

41 Zapis magnetyczny Jednym z najpopularniejszych sposobów zapisu i odczytu informacji jest technika wykorzystująca zjawisko elektromagnetyzmu. Podstawowe prawa fizyki dotyczące elektromagnetyzmu wykorzystano podczas projektowania głowicy zapisująco-odczytującej twardego dysku. Początkowo głowica była kawałkiem metalu w kształcie litery U" z nawiniętym przewodem (cewką). Po podłączeniu prądu głowica staje się małym elektromagnesem sterowanym zmianami polaryzacji. Ustawienie głowicy blisko materiału ferromagnetycznego naniesionego na taśmę lub talerz pozwala na namagnesowanie jego niewielkich obszarów (w zależności od rozmiarów głowicy).

42 Pola magnetyczne cząstek materiału ferromagnetycznego mają losowe kierunki i znoszą się nawzajem. Głowica po przejechaniu nad nośnikiem dokonuje polaryzacji cząstek, ukierunkowując je zgodnie z przepływem prądu (rysunek). Taki namagnesowany obszar nazywamy domeną magnetyczną. Dwie domeny ustawione polem magnetycznym przeciwsobnie lub ksobnie nazywamy komórką bitu. Proces zapisu przez głowicę na podłożu ferromagnetycznym

43 Proces odczytu danych wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej. W czasie odczytu danych głowica nie jest już elektromagnesem, a staje się detektorem zmian polaryzacji pola magnetycznego. W momencie gdy głowica przesunie się nad dwiema domenami o różnej polaryzacji, w jej cewce wygenerowany zostanie słaby impuls elektryczny o polaryzacji zgodnej z kierunkiem pola magnetycznego. Wygenerowany prąd nie jest dokładnym odbiciem sygnału zapisującego i musi zostać elektronicznie wzmocniony i odfiltrowany. W zapisie magnetycznym zero bitowe najczęściej jest reprezentowane przez brak zmian polaryzacji kolejnych następujących po sobie domen magnetycznych. Domeny ustawione polaryzacją przeciwsobnie lub ksobnie wygenerują impuls, który zostanie zinterpretowany jako jedynka bitowa.

44 W celu zwiększenia niezawodności zapisu i odczytu wprowadza się dodatkowe synchronizowanie. Synchronizacja pozwala na dokładne identyfikowanie poszczególnych bitów w zapisie, np. kilku zer w jednym ciągu. Dodatkowo dane nie są zapisywane w czystej postaci cyfrowej, ale przed zapisem podlegają procesowi kodowania, a przy odczycie dekodowania. Dzięki kodowaniu można zapisywać większe ilości informacji oraz zniwelować zbyt duże obszary samych 0, które mogą powodować błędy odczytu. Kilkanaście lat temu popularnym sposobem kodowania danych była metoda RLL (ang. Run Length Limited). W 1991 roku doczekała się modyfikacji i dzisiaj dane są kodowane za pomocą schematu EPMRL (ang. Extended Partial Response Maximum Likelihood). Wyrafinowany algorytm EPMRL umożliwia zapis mocno zagęszczonych danych.

45 W najnowszych dyskach magnetycznych zastosowano technikę zapisu prostopadłego (rysunek). Domeny nie są tworzone wzdłuż powierzchni nośnika, ale pionowo, co wpływa na zwiększenie gęstości zapisu danych.

46 Budowa dysku twardego Dysk twardy składa się z kilku podstawowych elementów (rysunek): Talerze. Początkowo były aluminiowe, obecnie stosuje się talerze ceramiczne. Na ich powierzchnię nanoszony jest nośnik ferromagnetyczny, najczęściej AFC (ang. Antiferro- magnetically Coupled sprzężony ferromagnetycznie). W dyskach montowanych jest kilka talerzy, na których dane są zapisywane z obydwu stron. Najpopularniejsze rozmiary talerzy to 3,5 oraz 2,5 cala.

47 Głowica z bliska

48 uszkodzenia głowicy

49 Nośnik AFC przypomina kanapkę składającą się z cienkiej warstwy ferromagnetyka, warstwy izolatora (rutenu) oraz kolejnej warstwy ferromagnetyka. Taka budowa pozwala na nanoszenie cieńszych warstw przy jednoczesnym zwiększeniu gęstości zapisu. Głowica zapisująco-odczytująca. Pierwsze głowice wykorzystywały cewkę do zapisu i odczytu danych. Obecnie głowica zapisująco-odczytująca składa się z dwóch elementów: cienkowarstwowej głowicy zapisującej (TF, Thin Film) oraz odczytującej głowicy magnetorezystywnej o gigantycznej czułości (GMR Giant Magneto Resistive) wykrywającej zmiany rezystancji. Na jeden talerz przypadają dwie głowice zapisującoodczytujące, po jednej na stronę. UWAGA Głowica magnetorezystywna (GMR) nie wykorzystuje do odczytu zjawiska indukcji magnetycznej, ale rejestruje zmianę rezystancji przewodnika w polu magnetycznym. Dzięki temu nie trzeba wzmacniać i filtrować sygnału.

50 Pozycjoner głowicy składa się z mocnego magnesu stałego i cewki sterującej. Umożliwia sprawne przesuwanie głowicy nad powierzchnią obracającego się talerza. Ramię łączy głowicę z pozycjonerem i umieszcza ją nad powierzchnią talerza. Silnik umożliwia obrót talerzy podczas pracy dysku. Filtr zbiera opiłki metalu i drobiny kurzu mogące się pojawić podczas pracy mechanizmów dysku. Jest tak zlokalizowany, aby naturalny obieg powietrza wymuszony przez obracające się talerze powodował osadzanie zanieczyszczeń na jego powierzchni. UWAGA Wszystkie produkowane współcześnie dyski twarde są hermetycznie zamknięte. Ewentualne zanieczyszczenia mogą być spowodowane rozszczelnieniem obudowy lub opiłkami pochodzącymi z aluminiowych części mechanicznych.

51 Działanie dysku twardego Dane są zapisywane na powierzchni nośnika w postaci cylindrycznych ścieżek. Ścieżki znajdują się po obydwu stronach talerza i są nazywane cylindrami. Elektronika dysku nie byłaby w stanie wydajnie zarządzać wszystkimi danymi ze ścieżki, podzielono ją więc na sektory. Pojedynczy sektor zajmuje najczęściej 512 bajtów. Na okrągłym talerzu wewnętrzne ścieżki są znacznie krótsze od zewnętrznych. Aby zaoszczędzić miejsce, podzielono dysk na strefy (rysunek). Ścieżki, sektory, cylindry i strefy na talerzu dysku twardego

52 Głowica umieszczona na ramieniu porusza się za pomocą pozycjonera i zapisuje lub odczytuje dane. Gdy talerze obracają się z prędkością roboczą, głowica nie dotyka powierzchni nośnika. Duża prędkość obrotowa powoduje, że na powierzchni talerza tworzy się delikatna poduszka powietrzna unosząca głowicę nad nim. Dzięki temu zjawisku głowica nie ma fizycznego kontaktu z nośnikiem, co znacznie przedłuża jego żywotność UWAGA Dyski twarde są narażone na uszkodzenia głównie podczas ruchu talerzy. Poduszka powietrzna jest niewielka, dlatego jakiekolwiek uderzenie w obudowę dysku może spowodować wytrącenie głowicy z prawidłowej trajektorii. Taka sytuacja w najlepszym razie może się zakończyć utratą danych, a w najgorszym uszkodzeniem nośnika. Dysk jest mniej narażony na uszkodzenie podczas spoczynku, ponieważ specjalny mechanizm dokuje i blokuje ramię głowicy.

53 Specyfikacja dysku twardego Komputer domowy potrzebuje dysku o najlepszym stosunku ceny do pojemności i wydajności. Z kolei napęd dla komputera typu serwer musi się charakteryzować przede wszystkim dużą wydajnością, niezawodnością, pojemnością; cena jest kryterium drugorzędnym. Napędy z największymi prędkościami obrotowymi i najlepszą wydajnością idealnie nadają się do serwerów, ale głośna praca i wysoka cena wykluczają ich stosowanie w komputerach domowych. Oto kilka ważnych cech, które pozwolą wybrać odpowiedni napęd: Pojemność obecnie dyski przeznaczone do domowych komputerów i małych serwerów mogą mieć pojemność od kilkuset gigabajtów do 3 TB. W przypadku komputerów domowych zakup np. dwóch napędów 500 GB wydaje się lepszym rozwiązaniem niż wybór jednego o pojemności 1 TB; dwa mniejsze napędy mogą się okazać wydajniejsze.

54 Wydajność jest ogólnym parametrem, na który składają się: a) Prędkość przesyłu jest to miara określająca prędkość, z jaką dane są przesyłane z talerza do elektroniki dysku. Strefowa budowa okrągłego talerza i stała prędkość obrotowa sprawiają, że dane ze ścieżki wewnętrznej są odczytywane wolniej niż ze ścieżek znajdujących się na obrzeżu. Najlepszą metodą określenia prędkości dla dysku jest podanie średniej z pomiarów wewnętrznych i zewnętrznych ścieżek. Dobry dysk uzyskuje wewnętrzną średnią prędkość przesyłu rzędu 90 MB/s. Sami możemy ocenić, jak to się ma do możliwości np. interfejsu SATA II pozwalającego na transfer z prędkością 300 MB/s. b) Średni czas dostępu w celu uzyskania średniego czasu dostępu sumujemy średni czas wyszukiwania i opóźnienie. Średni czas wyszukiwania to czas przeskoku między losowo wybranymi dwoma cylindrami na powierzchni talerza. Opóźnienie to czas potrzebny na ustawienie głowicy nad odpowiednim cylindrem i dotarcie do odpowiedniego sektora. Obydwie wartości są wyrażane w milisekundach. c) Prędkość obrotowa wszystkie dyski twarde mają stałą prędkość obrotową. Obecnie możemy spotkać dyski o prędkości obrotowej: 3600, 4200, 5400, 7200, , obr./min. Zwiększanie prędkości obrotowej jest najszybszą metodą poprawy wydajności napędu, ponieważ im szybciej obracają się talerze pod głowicą, tym szybciej mogą być odczytywane dane z powierzchni. Dyski twarde do zastosowań domowych i biurowych najczęściej mają prędkość 7200 obr./min, a napędy komputerów przenośnych 5400 obr./min. Prędkości rzędu obr./min i obr./min są zarezerwowane dla serwerów. Wywołują one hałas i wibracje, a także sporo kosztują. d) Wielkość bufora bufor jest to szybka pamięć DRAM (cache), która przechowuje najczęściej odczytywane dane z dysku i dzięki temu wpływa na zwiększenie prędkości zewnętrznego przesyłu danych. Wielkość bufora we współczesnych dyskach twardych wynosi od 1 do 32 MB.

55 Interfejs jest łącznikiem między płytą a dyskiem twardym. Podczas zakupu dysku musimy wiedzieć, jaki interfejs ma płyta główna. Nabycie dysku obsługiwanego przez inny interfejs uniemożliwi fizyczne podłączenie napędu. Cena obecnie za dysk SATA o najniższej dostępnej pojemności zapłacimy około 150 zł, a za napędy o dużych pojemnościach ponad 400 zł. Niezawodność jest ogólną miarą, przez którą rozumiemy liczbę zatrzymań i startów dysku, współczynnik AFR określający w procentach prawdopodobieństwo uszkodzenia dysku w ciągu roku oraz średni czas między awariami (MTBF) mało miarodajny parametr określający, po ilu godzinach dysk ulegnie awarii. Obecnie producenci przewidują niezawodne działanie dysku przez 5 lat, dając na ten okres ograniczoną gwarancję. Na rynku istnieje wiele firm, które specjalizują się w produkcji dysków, m.in.: Samsung, Fujitsu, Hitachi, IBM, Maxtor, Seagate, Western Digital, Toshiba.

56 Dyski hybrydowe Główną wadą tradycyjnych dysków twardych jest stosunkowo niewielka prędkość przesyłu choćby w porównaniu z możliwościami transferowymi współczesnych interfejsów. Jedną z metod zmniejszenia tych ograniczeń jest stosowanie buforowania. Bufor to szybka pamięć przechowująca często wykorzystywane dane, aby nie było potrzeby pobierania ich z talerzy. Najczęściej bufory są budowane na bazie pamięci DRAM, która ma niewielką pojemność i jest ulotna. Na rynku twardych dysków pojawiły się napędy zwane HHD (ang. Hybrid Hard Disk hybrydowe dyski twarde), w których tradycyjny bufor DRAM zastąpiono pamięcią flash. Rozwiązanie nie zdobyło wielkiej popularności, ale warto o nim wspomnieć, ponieważ jest próbą łagodnego przejścia od tradycyjnych twardych dysków do dysków flash.